屋面露天停车场防雷设计探讨

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引言随着经济的发展，小汽车数量与日俱增，各大城市交通拥挤不堪，停车难在一定程度上增加了城市的拥堵。为了缓解交通拥堵，在地下停车场无法满足需求时，人们开始把目光由地下转向屋顶。由于节省空间、造价相对较低等因素，屋顶停车场在城市越来越受欢迎。某大型汽车4S店屋顶停车场，防雷设计仅按常规屋面在四周女儿墙设置了接闪带，很明显屋面汽车和人员并不在防雷有效保护范围内，这样设计可能存在安全隐患。针对上述问题，本文结合某大型商业停车楼，对屋顶停车场防雷设计进行探讨。1项目概况本工程位于武汉市，为某大型商业的配套停车楼，地上8层，总建筑面积25413m2，停车位727个(其中屋顶停车位91个)，建筑物屋面高度22.6m，屋面四周设有女儿墙。中间通过连廊与商业主楼连通。停车楼效果图如图1所示。图1停车楼效果图2规范依据《民用建筑电气设计标准》GB51348—2019第11.5.13条:“屋面露天汽车停车场应采用接闪杆、架空接闪线(网)作接闪器，且应使屋面车辆和人员处于接闪器保护范围内。”《雷电防护第3部分:建筑物的物理损坏和生命危险》GB/T21714.3—2015/IEC62305-3∶2010(下文简称《雷电防护3》)中E.5.2.4.2.1条规定:“如果需要为最顶层停车场提供防直击雷防护，可使用杆状接闪器和架空接闪导体。”《雷电防护3》中E.5.2.4.2.8条规定:“为保护屋面上的人员免遭直击雷，可使用符合滚球法的杆状接闪器。杆状接闪器可用自然接闪部件代替，例如栅栏、灯杆等。接闪器高度应考虑人体接触高度2.5m的限度，且保持所需的间隔距离。”3雷击效应当电流通过人的躯体时，有可能出现伤害或机能障碍。直接雷击显然引发最大的伤害，而地电位的上升所造成的伤害是最小的。接触电压及侧面闪击所造成的伤害是居中的。当停车楼遭受直接雷击后，雷电流在分散至防雷接地装置过程中，会产生接触电压、侧面闪击、跨步电压、电磁感应等危害。因此，建筑物防雷设计中如何降低以上雷击产生的危害，成为设计中的关键点。由于直接雷击产生的伤害最大，设计师通常较为重视。根据《电流对人和家畜的效应第四部分:雷击效应》GB/T13870.4—2017中6.6条，统计表明，雷击发生的各种机理百分比如表1所示。从表1中可以看出，平时防雷设计中最重视的直接雷击在雷击发生的各种机理中占比最小，反而侧面闪击、接触电压、跨步电压等占比较大。因此，如何减少侧面闪击、接触电压、跨步电压等引起的危害，设计人员同样应给予足够的重视。4雷电防护的必要性一般情况下，建筑防雷设计通常仅保护了建筑物屋面，并未考虑屋面上的人可能遭受雷击的防护，原因如下:(1)人员仅在屋顶短暂停留;(2)屋顶可限制活动范围和设置警示牌;(3)如果所有屋面考虑人员的雷击防护，需要额外增加接闪杆或架空接闪线，经济性不合理。本项目为商业综合体的屋面停车场，雷雨天气时，可能仍处于使用状态，存在人员和车辆遭受雷击的危险。当人员被击中时，很可能受伤甚至是死亡;

当汽车被击中时，因为汽车车身为封闭金属结构，此时汽车可以近似看做一个

“法拉第笼”，大部分雷电流通过汽车表面瞬间导入地面，因此车内的人员基本不会因雷击而直接受伤，但是强大的热效应和电磁脉冲会对车上的电子设备造成损坏。为保证人员的生命及财产安全，要求车辆和人员均处于防雷装置保护范围内是很有必要的。5防雷设计5.1防雷方案选择为了能保护到屋面停车场的车辆和人员，仅仅按常规做法进行屋面防雷设计肯定是不够的。如果需要保护屋面的车辆和人员，通常有如下几种常见的方式，如表2所示。在上述五个方案的比选中，笔者比较倾向于方案三：采用光伏停车棚。该方案不仅解决了屋顶防雷、遮阳避雨的问题，而且符合当下低碳经济、绿色环保的发展趋势，同时光伏发电能带来可观的经济收益。经过反复比选论证后，业主最终选用方案二：在屋面设置低杆灯(

庭院灯)，兼顾防雷和停车场照明。同时，要求结构专业为后期加建屋顶光伏车棚预留土建条件。5.2年预计雷击次数武汉市年平均雷暴日为34.2d/a，停车楼与商业主楼通过连廊连接。经过计算，停车楼年预计雷击次数为0.1252次/a，属第二类防雷建筑物。5.3防直接雷击根据《建筑物防雷设计规范》GB50057—2010(下文简称《雷规》)附录D，探讨金属低杆灯防雷保护范围。5.3.1单根金属灯杆的保护范围根据《雷规》附录D中D.0.1节的图D.0.1(单支接闪杆的保护范围)及计算公式

D.0.0-1如公式(1)

。式中，rx为低杆灯在hx高度的xx’平面上的保护半径，m;hr为滚球半径，本工程属第二类防雷建筑物，按规范取值为45m;hx为被保护物的高度，m，本工程取值2.5m(经过与建筑专业确认，本项目至屋顶车道限高2.2m;根据GB/T21714.3—2015第53页图E.2，人体垂直伸展手臂及手掌时，人体站立的地方距人体手指尖的高度为2.5m，故综合屋面车辆和人员的高度后，被保护物的高度确定为2.5m)。h为金属低杆灯高度(见低杆灯高度有3m、3.5m、4m、4.5m、5m等)。以金属灯杆高度h=4m为例，代入计算公式(1)得到以此类推，可以得到常见的单支金属灯杆保护范围，如表3所示。5.3.2矩形布置四根金属灯杆的保护范围5.3.3灯杆布置根据建筑专业提供的屋顶停车场平面，车位尺寸为2.4m×5.3m，车道宽5.5m，截取屋顶局部平面，如图2所示。图2屋顶停车场局部平面根据表4中不同高度灯杆的最大安装间距，同时结合屋顶车道及车位布置情况可以看出，选取的灯杆高度过低或过高，都会对停车产生不利的影响，故本工程对比各方案后最终确定灯杆高度为4m。布置灯具时，应尽可能将灯杆布置在停车位后方两车位分隔线处，如图2所示的A~D点(分别安装1#～4#灯杆)，此时AB=14.4m，AD=16.1m，均不大于4m灯杆最大安装间距16.3m。通过防雷计算软件模拟，从图2中可以看出，1#～4#灯杆围合的正方形ABCD的范围内部，汽车和人员均处于有效的保护范围内。围合正方形范围外的区域，可以通过单根金属灯杆的保护半径，核实是否处于防雷保护范围内。5.4其他防雷措施当雷电击中停车场屋顶时，如击中金属灯杆，雷电流会沿着灯杆流至屋面接闪网格，当人站在屋面时两脚之间的电压降即为跨步电压。当人靠近灯杆时，灯杆可能以类似接触电压的方式升高电位，此时灯杆与人之间的电位差可能超过灯杆与人之间的电气间隙击穿强度，而发生侧面闪击。根据《建筑物防雷设计规范》GB50057—2010中4.5.6条中防接触电压和跨步电压的措施，同时结合项目实际情况，为了将跨步电压、接触电压及侧面闪击产生的危害降低到可以容许的程度，该停车楼属于第二类防雷建筑，防雷接地设计还采取了以下措施。(1)增加引下线根数。为了增加雷电流快速散流减小侧面闪击危害，停车楼设计采取了所有贯通结构柱作为引下线(大于10根)，同时利用屋面板最外圈的结构圈梁内主筋形成等电位环，并与所有引下线可靠连接形成贯通的电气通路。(2)电位均衡措施。根据《雷电防护第3部分:建筑物的物理损坏和生命危险》GB/T21714.3—2015/IEC62305-3∶2010中E.5.2.4.2.8条:如果建筑物屋顶土壤层厚度达到0.5m，且人员经常出入，需用5m×5m的网状接闪器来防止危险的跨步电压。为保护屋面上的人员免遭直击雷，可使用符合滚球法的杆状接闪器。杆状接闪器可用自然接闪部件代替，例如栅栏、灯杆等。停车楼屋面为钢筋混凝土保护面层，混凝土在不同环境下电阻率近似值如表5所示。雷雨季节，屋面可近似看作处于在湿土中的状态。考虑到停车楼防雷设计利用了金属灯杆作为接闪器的特殊性，根据雷电流的分布及电位均衡的原理，故借鉴了上述防跨步电压的加强措施，同时结合屋面暗敷接闪网格尺寸要求，在整个屋面利用屋面板内的钢筋组成不大于5m×5m的接闪网格，从而有效减小了雷雨天气时的跨步电压。网格利用了楼板内钢筋，在原来接闪网格10m×10m的基础上适当缩小尺寸，对工程造价影响甚微，但安全性得到进一步增强。设置警告标识。设计利用了灯杆作为接闪器，应考虑手可接触的区域。常用方式可设置障碍物或保护线来确定安全区域。由于在灯杆周围设置物理限制会影响停车位使用，故设计采取了灯杆上设置警示牌和地面设置危险警戒线的方式，提醒屋面人员雷雨天气勿靠近灯杆。屋面各金属灯杆基础处设置等电位联结。停车楼屋顶设置的金属灯杆，由于突出屋面，易遭受雷击。由于灯杆防雷击的同时，还需要考虑防电击，所以设计上需要综合考虑。考虑到人的步距大约在0.8m左右，设计在各灯杆基础下方埋设间距为0.6m的两圈铜带接地环，如图3所示。环形接地极最外圈应不少于两处与屋面接闪网连接。由于灯杆的PE线与金属灯杆连通，环形接地极作为防雷接地极，同时也是照明电源回路中PE线保护接地的接地极，这种做法同时也实现了在灯杆四周地面设置了等电位联结。这样在发生雷击或电击时，能有效降低灯杆四周的接触电压和跨步电压。图3灯杆接地示意图(注:D点为灯杆)6结束语随着城市用地越来越紧张，屋顶露天停车场将越来越常见。屋顶停车场防雷，是一项极其重要的基础性工作，需要因地制宜选择合适的防雷方案。本文结合某工程实例，对屋顶停车场防雷设计的关键点进行了探讨，其余防雷措施与普通建筑无异，本文不作具体分析。限于笔者认知有限，难免部分观